РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-МОДУЛЯЦИОННОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВЕДЕННОГО ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ
2.1. Разработка и исследование фотоупругого модулятора поляризации излучения
Как известно, явление фотоупругости состоит в том, что изотропные оптические материалы под влиянием механических напряжений становятся двулучепреломляющими. Это двулучепреломление, определяемое как разница фаз между двумя взаимно перпендикулярными компонентами поляризованного света, создается в прозрачном изотропном материале под действием механического одноосного напряжения. Для получения сдвига фаз в четверть длины волны ультрафиолетового, видимого или ближнего инфракрасного диапазона необходимо усилие значительно меньше того, которое приводит к разрушению материала. На практике более удобным является приложение механического напряжения в виде волны сжатия-растяжения. В случае резонанса элемента в нем создаются самоколебания или стоячая акустическая волна. Объясняется это тем, что усилия, необходимые для получения заданной амплитуды колебаний, будут меньше сил, необходимых для эквивалентного статического или нерезонансного динамического напряжения в результате действия внутренней динамической инерции. Добротность фотоупругих материалов составляет при колебаниях в акустическом диапазоне до 100 кГц. Акустическая волна, распространяющаяся в твердом теле, вызывает упругие напряжения, которые приводят к изменению показателей преломления, т.е. к искусственной анизотропии.
При прохождении поляризованного света сквозь упругую среду перпендикулярно к направлению распространения акустической волны, излучение становится, в общем случае, эллиптически поляризованным ?59?.
Рассмотрим этот процесс более детально. В бруске прозрачного материала внешним влиянием создана вдоль оси X акустическая стоячая волна сжатия-растяжения. Схематично брусок фотоупругого модулятора приведен на рис.2.1. На этой схеме ось Z определяет направление луча, проходящего сквозь активный элемент модулятора. Используется основная мода колебаний,
Рис.2.1. Брусок фотоупругого модулятора поляризации
поэтому длина бруска выбирается при условии , где - длина акустической волны в материале бруска.
Пространственное смещение вдоль оси Х определяется из выражения:
, (2.1)
где - начальное смещение произвольной точки по координате , - частота продольных колебаний бруска. Соответствующее механическое напряжение пропорционально , т.е. ,и имеет максимальное значение в центре бруска. Двулучепреломление пропорционально напряжению и изменяется во времени, как .
Схематически это показано на рис.2.2а, где кривые 1 и 2 изображают зависимость от времени механического напряжения в точке 0 (см. рис.2.1) при двух значениях . Кривая 1 отвечает такой величине механического напряжения и, соответственно, двулучепреломлению, при котором брусок в момент времени , (где , - период модуляции) становится четвертьволновой пластинкой. Это означает, что если на пластинку падает в направлении оси Z линейно поляризованный свет такой ориентации, что плоскость волны составляет угол 45o с осями XY, то на выходе пластины в эти моменты времени свет будет циркулярно поляризованным, как это показано на рис.2.2б. Если на пути распространения света расположить поляризатор, ориентировав его на непрохождение одного из состояний линейной поляризации, то детектор, расположенный за ним, покажет два периода изменения интенсивности света, т.е. частоту модуляции , которая равна удвоенной частоте резонатора.
Если же деформация пластинки достигает такой величины, которая описывается кривой 2 на рис.2.2а, то пластинка в те же моменты времени становится полуволновой, а детектор излучения покажет два полных периода изменения интенсивности за один период акустического колебания. Нужно отметить, что принципиального отличия в результатах модуляции нет, если начальное состояние поляризации из линейного изменить на циркулярную.
Рис.2.2. Зависимость от времени величины механического напряжения и состояния поляризации при двух значениях : а) ; б)
Любой оптический материал имеет свою собственную константу фотоупругости, которая обуславливает величину механического напряжения необходимого для получения требуемой величины сдвига фаз на заданной длине волны света. Зависимость, характеризующая сдвиг фаз, имеет вид:
, (2.2)
где - константа фотоупругости, - напряжение в пластинке, - длина волны излучения в веществе. Для большинства материалов величина уменьшается с ростом при условии, что собственные полосы поглощения этих сред расположены в области спектра с длиной волны, меньше чем .
Впервые фотоупругий модулятор для исследования кругового дихроизма использовали Billardon и Вadoz [60]. Этот модулятор представлял собой параллелепипед, изготовленный из стекла или плавленого кварца, приклеенную к нему пластинку из пьезокерамики и два стержня из материала, который хорошо проводит акустические волны. Вся система в рабочем состоянии поддерживалась упругими опорами, отстоящими на четверть длины от краев. Максимальное двулучепреломление, созданное модулятором, определяется границей электрической прочности пьезокерамики. В качестве образца приведен модулятор с разницей хода 0.29?, собственной частотой 8.2 кГц и напряжением питания 19В.
Конструкция на таком же принципе для использования в ИК области спектра (2-14мкм) описана в работе [61]. В качестве двулучепреломляющего вещества использовали кубический кристалл - монокристалл германия, пластина из которого возбуждается пьезокерамикой. Кристалл германия имеет высокую акустическую добротность, хорошие оптические и механические свойства, что делает его использование преимущественным в области длин волн 2-14 мкм. Потери света (около 50%) в данном диапазоне происходят за счет отражения и могут быть уменьшены путем просветляющего покрытия. Основная про